mgssuvestВестник МГСУVestnik MGSU1997-09352304-6600Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)10.22227/1997-0935.2025.1.37-49mgssuvest-470Research ArticleПроектирование и конструирование строительных систем. Строительная механика. Основания и фундаменты, подземные сооруженияConstruction system design and layout planning. Construction mechanics. Bases and foundations, underground structuresЭкспериментальное и численное сравнение напряженно-деформированного состояния арки и комбинированной арочной конструкцииExperimental and numerical comparison of the stress-strain state of an arch and a combined arch structurehttps://orcid.org/0000-0002-8530-9546ДолгушеваВ. В.DolgushevaV. V.

Вера Витальевна Долгушева — преподаватель кафедры металлических и деревянных конструкций

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

РИНЦ AuthorID: 1061655, Scopus: 57212309767

Vera V. Dolgusheva — lecturer of the Department of Metal and Wooden Structures

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337

RSCI AuthorID: 1061655, Scopus: 57212309767

DolgushevaVV@yandex.ruИбрагимовА. М.IbragimovA. M.

Александр Майорович Ибрагимов — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры металлических и деревянных конструкций

129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26

РИНЦ AuthorID: 704948, Scopus: 57189524528, ResearcherID: AFN-6830-2022

Alexander M. Ibragimov — Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Department of Metal and Wooden Structures

26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337

RSCI AuthorID: 704948, Scopus: 57189524528, ResearcherID: AFN-6830-2022

igasu_alex@mail.ruНациональный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)РоссияMoscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)Russian Federation2025310120252013749Copyright © Долгушева В.В., Ибрагимов А.М., 20252025Долгушева В.В., Ибрагимов А.М.Dolgusheva V.V., Ibragimov A.M.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vestnikmgsu.ru/jour/article/view/470Введение

Введение. Экспериментальные исследования натурных строительных конструкций покрытий трудоемки, имеют высокую стоимость, не предполагают размещение в лабораториях из-за больших габаритов. В связи с этим часто испытания строительных конструкций проводятся на масштабных моделях. Работа комбинированных арочных систем малоизучена, расчетным моделям таких систем требуется экспериментальное подтверждение. Представленное экспериментальное исследование направлено на получение данных о действительной работе арки и комбинированной арочной конструкции с лучевыми затяжками для последующего сопоставления экспериментальных данных с расчетными моделями.

Материалы и методы

Материалы и методы. Экспериментальная модель разработана с использованием смешанного подобия в масштабе 1:10. Физико-механические характеристики материалов модели определены по стандартным методикам. Разработаны и описаны способ создания заданного преднапряжения в затяжках арки и методика ее испытания. Расчетные модели реализованы в программном конечно-элементном комплексе ЛИРА-САПР с учетом геометрически нелинейного характера работы конструкции, напряжения в сечениях установлены с помощью процессора «Конструктор сечений».

Результаты

Результаты. По результатам экспериментальных исследований и численных расчетов получены напряжения и перемещения в сечениях арок. Показаны перемещения схемы, графики соответствия экспериментальных данных и результатов расчета. Проанализированы направления для улучшения экспериментальных моделей подобных комбинированных систем с затяжками.

Выводы

Выводы. Арочная комбинированная система с лучевыми затяжками позволяет выровнять значения напряжений в поясе арки в сравнении с аркой без затяжек. Максимальные напряжения в сечениях арки и максимальные прогибы в середине пролета арки снижаются в 3 раза при устройстве затяжек.

Introduction

Introduction. Experimental research projects of full-scale building roof constructions are labour-intensive, high-cost, and do not require placement in laboratories due to their large size. In this regard, tests of building constructions are often carried out on scale models. The operation of combined arch systems is poorly studied; calculation models of such systems require experimental confirmation. The presented experimental research project is aimed at obtaining data on the actual operation of the arch and a combined arch structure with radial ties for subsequent comparison of experimental data with calculation models.

Materials and methods

Materials and methods. The experimental model is developed using mixed similarity at a scale of 1:10. The physical and mechanical parameters of the model materials were determined using standard methods. A method for creating a given prestress in the arch ties and a method for testing it are developed and described. The calculation models are implemented in the LIRA-SAPR finite element software package, considering the geometrically nonlinear structure operation, the stresses in the arch sections are determined using the “Section Designer” processor.

Results

Results. Based on the results of experimental studies and numerical calculations, stresses and displacements in arch sections were obtained. The movements of the circuit, graphs of correspondence between experimental data and calculation results are shown. Directions for improving experimental models of such combined systems with ties are analyzed.

Conclusions

Conclusions. An arch combined system with radial ties allows to equalize the stress values in the arch belt in comparison with an arch without ties. The maximum stresses in the arch sections and the maximum deflections in the middle of the arch span are reduced by 3 times when tightening is installed.

комбинированные конструкциистальная арка с лучевыми затяжкамипреднапряжениеарочная экспериментальная модельмасштабный экспериментарочно-вантовая системагеометрическая нелинейностьЛИРА-САПРмоделирование вантcombined structuressteel arch with a tieprestressingarch experimental modelscale testcable roof system supported by archesgeometrical nonlinearityLIRA-SAPRprestressing using temperaturecable stay modellingАвторы выражают благодарность директору ИПГС, заведующему кафедрой МДК, доктору технических наук А.Р. Туснину; заведующему кафедрой ЖБК, доктору технических наук А.Г. Тамразяну; заместителю директора НИИ ЭМ О.А. Корневу; заведующему лабораторией испытаний строительных конструкций материалов и изделий В.А. Какуше; старшему преподавателю кафедры МДК Т.В. Долгушеву; преподавателю кафедры ЖБК М.В. Кудрявцеву за консультации и поддержку в подготовке экспериментального исследования; выпускнику кафедры сварки, диагностики и специальной робототехники МГТУ им. Н.Э. Баумана Е.А. Сутягину за помощь в изготовлении экспериментальной модели; сотрудникам лаборатории испытаний строительных конструкций инженерам М.В. Кудрявцеву, Х.Х. Абдул Ахада, М.З. Шарипову, Ф.М. Вардак, Ю.А. Жидкову, аспиранту кафедры МДК П.А. Спасскому за помощь в проведении экспериментального исследования; рецензентам за проявленное внимание к работе и ценные замечания. Экспериментальные исследования проведены в рамках гранта НИУ МГСУ для аспирантов на проведение физических экспериментов в 2023 г. при поддержке сотрудников лаборатории испытаний строительных конструкций материалов и изделий НИИ ЭМ в лаборатории каменных и железобетонных конструкций.The authors express their gratitude to the director of the Institute of Industrial and Civil Construction, head of the Department of Metal and Wooden Structures (MWS), Doctor of Technical Sciences. A.R. Tusnin; Head of the Department of Reinforced Concrete and Stone Structures (RCS), Doctor of Technical Sciences A.G. Tamrazyan; Deputy Director of the Scientific Research Institute of Experimental Mechanics (SRI EM) O.A. Kornev; the head of the laboratory for testing building structures, materials and products, V.A. Kakusha; senior teacher of the MWS department T.V. Dolgushev; teacher of the RCS department, M.V. Kudryavtsev for consultations and support in the preparation of the experimental study; graduate of the Department of Welding, Diagnostics and Special Robotics at Moscow State Technical University. N.E. Bauman E.A. Sutyagin for assistance in making the experimental model; employees of the laboratory for testing building structures, engineers M.V. Kudryavtsev, H.H. Abdul Ahad, M.Z. Sharipov, F.M. Vardak, Y.A. Zhidkov, postgraduate student of the MWS department P.A. Spassky for assistance in conducting the experimental research; reviewers for their attention to the work and valuable comments. Experimental studies were carried out within the framework of a grant from the National Research University MGSU for graduate students to conduct physical experiments in 2023 with the support of employees of the laboratory for testing building structures of materials and products of the SRI EM in the laboratory of Stone and Reinforced Concrete Structures.ReferencesСуворовцев Б.А. Особенности проектирования пролетных строений мостов комбинированных систем с гибкими наклонными подвесками // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2017. № 1 (53). С. 219–224. EDN YKRLYD.Surovtcev B.A. Designing specialities of the combined bridge arch superstructures with inclined hangers — “Network arches”. Modern Technologies. System Analysis. Modeling. 2017; 1(53):219-224. EDN YKRLYD. (rus.).Юнусов А.С. Арочные конструкции, востребованные временем, в строительной науке и архитектуре // Инженерный вестник Дона. 2016. № 1 (40). С. 44. EDN WCNSXV.Yunusov A.S. Arch designs demanded by the time in building sciences and architecture. Engineering Journal of Don. 2016; 1(40):44. EDN WCNSXV. (rus.).Arslan A. Bridges as City Landmarks: A Critical Review on Iconic Structures // Journal of Design Studio. 2020. Pp. 85–99. DOI: 10.46474/798072Arslan A. Bridges as City Landmarks: A Critical Review on Iconic Structures. Journal of Design Studio. 2020; 85-99. DOI: 10.46474/798072Danciu A.D., Guțiu Ș.I., Moga C., Dragomir M.L., Ciotlăuș M., Marusceac V. A Review of the Network Arch Bridge // Applied Sciences. 2023. Vol. 13. Issue 19. P. 10966. DOI: 10.3390/APP131910966Danciu A.D., Guțiu Ș.I., Moga C., Dragomir M.L., Ciotlăuș M., Marusceac V. A Review of the Network Arch Bridge. Applied Sciences. 2023; 13(19):10966. DOI: 10.3390/APP131910966Lai Y., Wu Y., Wang G. Novel long-span cable-stayed deck arch bridge: Concept and structural characteristics // Engineering Structures. 2024. Vol. 308. P. 118026. DOI: 10.1016/j.engstruct.2024.118026Lai Y., Wu Y., Wang G. Novel long-span cable-stayed deck arch bridge: Concept and structural characteristics. Engineering Structures. 2024; 308:118026. DOI: 10.1016/j.engstruct.2024.118026Li Y., Lai Y., Lu G., Yan F., Wei P., Xie Y.M. Innovative design of long-span steel–concrete composite bridge using multi-material topology optimization // Engineering Structures. 2022. Vol. 269. P. 114838. DOI: 10.1016/j.engstruct.2022.114838Li Y., Lai Y., Lu G., Yan F., Wei P., Xie Y.M. Innovative design of long-span steel–concrete composite bridge using multi-material topology optimization. Engineering Structures. 2022; 269:114838. DOI: 10.1016/j.engstruct.2022.114838Xie X.L., Huang Y., Qin X. Conceptual design of a new type of single-tower cable-stayed arch bridge and study of its mechanical properties // Advances in Structural Engineering. 2021. Vol. 24. Issue 11. Pp. 2500–2511. DOI: 10.1177/13694332211001506Xie X.L., Huang Y., Qin X. Conceptual design of a new type of single-tower cable-stayed arch bridge and study of its mechanical properties. Advances in Structural Engineering. 2021; 24(11):2500-2511. DOI: 10.1177/13694332211001506Ибрагимов А.М., Гнедина Л.Ю., Долгушева В.В. Проблемы применения и проектирования арочных комбинированных систем // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии. 2021. № 2. С. 25–35. DOI: 10.25686/2542-114X.2021.2.25. EDN PKRRXZ.Ibragimov A.M., Gnedina L.Iu., Dolgusheva V.V. Problems of application and design of combined arc systems. Vestnik of Volga State University of Technology. Series: Materials. Constructions. Technologies. 2021; 2:25-35. DOI: 10.25686/2542-114X.2021.2.25. EDN PKRRXZ. (rus.).Burford N.K., Smith F.W., Gengnagel C. The Evolution of Arches as Lightweight Structures: A History of Empiricism and Science // Proceedings of the Third International Congress on Construction History. Cottbus, 2009. P. 267274.Burford N.K., Smith F.W., Gengnagel C. The Evolution of Arches as Lightweight Structures: A History of Empiricism and Science. Proceedings of the Third International Congress on Construction History. Cottbus, 2009; 267274.Трянина Н.Ю., Тестоедов П.С. Исследование вопроса живучести стальных сетчатых покрытий // Приволжский научный журнал. 2015. № 1 (33). С. 9–14. EDN TMJZXV.Tryanina N.E., Testoedov P.S. The investigation of the survivability problems of steel mesh enclosures. Privolzhsky Scientific Journal. 2015; 1(33):9-14. EDN TMJZXV. (rus.).Трянина Н.Ю., Карзанов М.А. Исследование работы арочных конструкций с системой наклонных тяг // Приволжский научный журнал. 2011. № 2 (18). С. 16–19. EDN NURPZJ.Tryanina N.Yu., Karzanov M.A. Study of the work of arched structures with a system of inclined rods. Privolzhsky Scientific Journal. 2011; 2(18):16-19. EDN NURPZJ. (rus.).Dolgusheva V.V., Ibragimov A.M. Operation Analysis of the Main Arch-Cable-Stayed Systems When Operating Under Unevenly Distributed and Asymmetrically Working Loads // Lecture Notes in Civil Engineering. 2022. Pp. 44–54. DOI: 10.1007/978-3-030-91145-4_5Dolgusheva V.V., Ibragimov A.M. Operation Analysis of the Main Arch-Cable-Stayed Systems When Operating Under Unevenly Distributed and Asymmetrically Working Loads. Lecture Notes in Civil Engineering. 2022; 44-54. DOI: 10.1007/978-3-030-91145-4_5Долгушева В.В., Ибрагимов А.М., Долгушев Т.В. Рациональное конструктивное решение комбинированной арочной системы с наклонными тягами // Academia. Архитектура и строительство. 2023. № 2. С. 168–174. DOI: 10.22337/2077-9038-2023-2-168-174. EDN GCKCKR.Dolgusheva V.V., Ibragimov A.M., Dolgushev T.V. Rational design concept of the combined arch system with inclined rods. Academia. Architecture and Construction. 2023; 2:168-174. DOI: 10.22337/2077-9038-2023-2-168-174. EDN GCKCKR. (rus.).Guo X., Li Q., Zhang D., Gong J. Structural Behavior of an Air-Inflated Fabric Arch Frame // Journal of Structural Engineering. 2016. Vol. 142. Issue 2. DOI: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001374Guo X., Li Q., Zhang D., Gong J. Structural Behavior of an Air-Inflated Fabric Arch Frame. Journal of Structural Engineering. 2015; 142(2). DOI: 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0001374Alegria Mira L., Thrall A.P., De Temmerman N. Deployable scissor arch for transitional shelters // Automation in Construction. 2014. Vol. 43. Pp. 123–131. DOI: 10.1016/j.autcon.2014.03.014Alegria Mira L., Thrall A.P., De Temmerman N. Deployable scissor arch for transitional shelters. Automation in Construction. 2014; 43:123-131. DOI: 10.1016/j.autcon.2014.03.014Trenz J., Zlatuška K., Necas R. Experimental model of plan curved footbridge supported by arch // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 960. Issue 4. P. 042070. DOI: 10.1088/1757-899x/960/4/042070Trenz J., Zlatuška K., Necas R. Experimental model of plan curved footbridge supported by arch. IOP Conference Series : Materials Science and Engineering. 2020; 960(4):042070. DOI: 10.1088/1757-899x/960/4/042070Han Q.H., Xu Y., Lu Y., Xu J., Zhao Q.H. Failure mechanism of steel arch trusses: Shaking table testing and FEM analysis // Engineering Structures. 2015. Vol. 82. Pp. 186–198. DOI: 10.1016/j.engstruct.2014.10.013Han Q.H., Xu Y., Lu Y., Xu J., Zhao Q.H. Failure mechanism of steel arch trusses: Shaking table testing and FEM analysis. Engineering Structures. 2015; 82:186-198. DOI: 10.1016/j.engstruct.2014.10.013Clarke M.J., Hancock G.J. Tests and Nonlinear Analyses of Small-Scale Stressed-Arch Frames // Journal of Structural Engineering. 1995. Vol. 121. Issue 2. Pp. 187–200. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9445(1995)121:2(187)Clarke M.J., Hancock G.J. Tests and Nonlinear Analyses of Small-Scale Stressed-Arch Frames. Journal of Structural Engineering. 1995; 121(2):187-200. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9445(1995)121:2(187)Misseri G., Rovero L., Stipo G., Barducci S., Alecci V., De Stefano M. Experimental and analytical investigations on sustainable and innovative strengthening systems for masonry arches // Composite Structures. 2019. Vol. 210. Pp. 526–537. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.11.054Misseri G., Rovero L., Stipo G., Barducci S., Alecci V., De Stefano M. Experimental and analytical investigations on sustainable and innovative strengthening systems for masonry arches. Composite Structures. 2019; 210:526-537. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.11.054Lu P., Zhang J., Li D., Zhou Y., Shi Q. Conceptual design and experimental verification study of a special-shaped composite arch bridge // Structures. 2021. Vol. 29. Pp. 1380–1389. DOI: 10.1016/j.istruc.2020.12.018Lu P., Zhang J., Li D., Zhou Y., Shi Q. Conceptual design and experimental verification study of a special-shaped composite arch bridge. Structures. 2021; 29:1380-1389. DOI: 10.1016/j.istruc.2020.12.018Ferrero C., Calderini C., Roca P. Experimental response of a scaled dry-joint masonry arch subject to inclined support displacements // Engineering Structures. 2022. Vol. 253. P. 113804. DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.113804Ferrero C., Calderini C., Roca P. Experimental response of a scaled dry-joint masonry arch subject to inclined support displacements. Engineering Structures. 2022; 253:113804. DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.113804Mentese V.G., Gunes O., Celik O.C., Gunes B., Avsin A., Yaz M. Experimental collapse investigation and nonlinear modeling of a single-span stone masonry arch bridge // Engineering Failure Analysis. 2023. Vol. 152. P. 107520. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2023.107520Mentese V.G., Gunes O., Celik O.C., Gunes B., Avsin A., Yaz M. Experimental collapse investigation and nonlinear modeling of a single-span stone masonry arch bridge. Engineering Failure Analysis. 2023; 152:107520. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2023.107520Liu A.R., Huang Y.H., Fu J.Y., Yu Q.C., Rao R. Experimental research on stable ultimate bearing capacity of leaning-type arch rib systems // Journal of Constructional Steel Research. 2015. Vol. 114. Pp. 281–292. DOI: 10.1016/j.jcsr.2015.08.011Liu A.R., Huang Y.H., Fu J.Y., Yu Q.C., Rao R. Experimental research on stable ultimate bearing capacity of leaning-type arch rib systems. Journal of Constructional Steel Research. 2015; 114:281-292. DOI: 10.1016/j.jcsr.2015.08.011Mora-Gómez J. Historical iron tie-rods in vaulted structures: parametrical study through a scaled model // WIT Transactions on The Built Environment. 2015. Vol. 1. Pp. 669–680. DOI: 10.2495/STR150561Mora-Gómez J. Historical iron tie-rods in vaulted structures: parametrical study through a scaled model. WIT Transactions on the Built Environment. 2015; 1:669-680. DOI: 10.2495/STR150561Киселёв Д.Б. Работа комбинированной арочной системы с учетом геометрической нелинейности и последовательности монтажа : дис. … канд. техн. наук. М., 2009. 120 с.Kiselev D.B. Operation of a combined arched system taking into account geometric nonlinearity and installation sequence : dis. … cand. tech. sci. Moscow, 2009; 120. (rus.).Dolgusheva V., Ibragimov A., Dolgushev T. Robustness of the combined arch system with radial ties // E3S Web of Conferences. 2023. Vol. 389. P. 01053. DOI: 10.1051/e3sconf/202338901053Dolgusheva V., Ibragimov A., Dolgushev T. Robustness of the combined arch system with radial ties. E3S Web of Conferences. 2023; 389:01053. DOI: 10.1051/e3sconf/202338901053Еремеев П.Г. Справочник по проектированию современных металлических конструкций большепролетных покрытий. М. : Ассоциация строительных вузов, 2011. 256 с. EDN QNPJIX.Eremeev P.G. The manual on designing of wide-span roofs modern metal strucures. Moscow, Association of construction universities, 2011; 256. EDN QNPJIX. (rus.).Драгунов Ю.Г., Зубченко А.С., Каширский Ю.В. Марочник сталей и сплавов. М., 2014. 1215 с.Dragunov Yu.G., Zubchenko A.S., Kashirskiy Yu.V. Brand of steels and alloys. Moscow, 2014; 1215. (rus.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.